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1、材料加工过程的数值模拟 微观组织数值模拟(I),任课教师: 王锦程,Office：公字楼216 Tel ：029-88460650(O) Email ： jchwang,宏观模拟(Macro-),微观模拟(Micro-),加工过程(Processing),组织演化(Microstructure),温度场,应力场,流 场,浓度场,形 态,应力-应变方程,能量方程 动量方程 连续性方程,扩散方程,？,?,？,材料加工过程的数值模拟,其他场,基础知识（2） 微观组织数值模拟简介 计算材料学简介 相变理论基础 热力学基础,课程安排,相场法（5） 相场法基本原理及其应用 沉淀相析出 再结晶过程 凝固过程
2、,元胞自动机（2） 基本原理 模型 应用,水平集法（1） 基本原理 模型 应用,主要参考书,Dierk Raabe ，Computational Materials Science Nikolas Provatas and Ken Elder, Phase-Field Methods in Material Science and Engineering 相关最新参考文献,微观组织数值模拟简介,What is microstructure? Why modeling and simulation?,What is microstructure?,晶界、晶粒度、亚晶界 相（形态、体积分数） 晶体
3、结构、晶体缺陷,微观组织,Dendrites,Eutectics,Cellular,Peritectics,Microstructure is important.,“微观组织”是材料科学的核心。 剑桥大学教授R.W. Cahn,材料在加工和服役过程中的力学性能在很大程度上取决于材料加工过程中形成的微观组织 微观组织将物理和化学中的晶体、原子结构及其基本作用规律有机结合在一起使得材料研究成为一门科学,成分-工艺-组织-性能,性能是目的，成分是基础，组织是表现形态，工艺是手段,The Materials Tetrahedron M C Flemings & Praveen Chaudhari 1
4、989,Microstructure is important.,This is an optical interference contrast micrograph that was taken with a Leica MEF 4A microscope equipped with a Sony DKC 5000 Camera,Microstructure is Beautiful.,Zinc oxide single crystals,Granulated Sugar白砂糖,一种酪酸盐,日本-秋山実（Minoru Akiyama）摄影家,Microstructure is Beauti
5、ful.,酒石酸结晶,陨石（Fe-Ni合金）,Microstructure is Beautiful.,Thymol 一种酚,碳化硅,Microstructure is Beautiful.,硅钢,结晶硅,Microstructure is Beautiful.,铸铁,Gallium镓,Microstructure is Beautiful.,液晶材料,金刚石,Microstructure is Beautiful.,纳米碳管,镁合金表面磷酸盐转化膜,Microstructure is Beautiful.,Nonlinear dynamics of sand ripple formation
6、,Microstructure is Amazing.,Eutectic structures,沙丘vs.共晶,雪花vs.枝晶,Microstructure is Amazing.,STM 5-fold surface of i-Al-Pd-Mn,Microstructure is Amazing.,梯田vs.台阶组织,云南元阳梯田,Island growth on Pt surface,Microstructure is Amazing.,斑纹vs.条带、点状组织,螺形位错,引力和转动的共同影响下 形成星系的螺旋结构,Microstructure is Amazing.,星云vs.位错,Mi
7、crostructure is Amazing.,Morphological Similarity Connections ？,各种形态的枝晶组织,螺旋生长与自然形态,Modeling是沟通理论与实验、微观与宏观的桥梁,Why Modeling and Simulation?,Characterization,Al-Cu枝晶二维形貌（横/纵截面）,Al-Cu合金等温粗化,?,?,Why Modeling and Simulation?,Science Understanding,Practice Applications,Microstructure Modeling,offer insigh
8、t into the phenomenon of microstructure evolution; improve our understanding of the physics of materials processing,alloy design; improvements in current technologies; development of new processes.,Why Modeling and Simulation?,计算材料学概述,计算材料学简介 材料模拟中的多尺度,计算科学,应用科学,计算机 硬/软件,数学,什么是计算科学？,Moore定律（1965）：计算
9、机的CPU速度每1.5年增加一倍,“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识与征服自然的第三种科学方法”。,计算机软硬件条件的飞速发展为科学计算的广泛应用提供了有力保证。,计算第三种科学手段,计算填补理论分析与实验之间的空白 计算使得人们能够深入研究一大批从科学理论分析角度看过于复杂、过于困难，而从科学实验角度看又过于昂贵、过于危险，甚至是无法进行的探索问题 计算已成为理论与实验相互补充的第三种手段,已成为人们认识世界的第三只眼睛 计算科学至今尚未具备象理论、实验与工程设计那些传统方式可预测的可靠性 任何计算模型只是客观真实事物的一个近似,Advantage,Disadvantage,
10、计算材料学定义 计算材料学是近年里飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合了凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学、工程力学、应用数学、计算机算法等多个相关学科。本学科的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征，并对于材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计新材料的目的。,经验型（炒菜式）,智能型（材料设计）,传统的材料研究方法,以大量的材料制备为中心，强调经验积累； 被动的性能表征； 经验与不断的循环试错而提高性能：实验寻优。,Silicon Age,Computational Materials by Design Age,计算
11、材料学,Stone Age,Bronze Age,Plastic Age,Iron Age,Industrial Age,通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述 理解材料结构与性能与功能之间的关系 设计新材料 缩短材料研制周期 降低材料制造过程成本,“材料设计”是指通过理论与计算预测新材料的组分、结构与性能，或者通过理论设计来“定做”具有特定性能的新材料。,计算材料学内涵,微观设计层次：空间尺度约在l nm量级，是原子、电子层次的设计； 连续模型层次：典型尺度约在1m量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为； 工程设计层次：尺度对应
12、于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。,材料设计的层次,材料的微观结构与性能的关系，从量子化学、固体物理、结构化学等角度探索研制新材料、新物质的新思想和新概念； 从相图、热力学和动力学性质出发，探索新型合金、氧化物等新材料及其制备方法的革新； 运用模式识别、人工神经网络、支持向量机等数据挖掘方法，结合数据库和知识库，总结材料结构与性能的关系、成分及工艺条件与材料性能或生产技术指标（成品率、能耗等）的关系等规律，用于材料制备和加工的优化。,材料设计的层次,计算材料学概述,计算材料学简介 材料模拟中的多尺度,Grain/crystal,Inter-grain slip,Grain b
13、oundary,Twins,precipitates,Atoms,Meso（介观）,Micro（微观）,Nano（纳观）,Macro(宏观),Different Scales,Multiscale Modelling & Simulations,Cellular Automata Phase Field,Macroscopic-scale (mm cm, m) Solidification Grain structures CET Porosity, Macrosegregation Shrinkage Cavity ,Mesoscopic-scale (m cm) Grain structu
14、res, CET Dendrite morphology, SDAS Eutectic, Peritectic Microsegregation, Microporosity,Microscopic-scale (nm m) Dendritic growth morphology Transition/ plane-cellular-dendritic Eutectic, Peritectic ,Nanoscopic-scale ( nm) Nucleation (Clustering) S/L interface morphology Atomic attachment Dislocatio
15、n movement,宏观,介观,微观,纳观,CA Models,Monte Carlo,Level set Method,Standard Transport,Molecular Dynamics Atomistic Simulation,First Principle,Phase Field Models,Simulations of heat transfer and diffusion in nuclear fuels,Phase Field simulations of void formation and evolution,Thermo-chemical models of ox
16、ygen diffusivity,Molecular dynamics calculations of point defect energy,Nucleation sites,Electronic Structure Calculations (DFT),Inter-atomic potential parameters,Porosity,D(T,x,p),多尺度模拟策略,Meshing and virtual experimentation (OOF),Property statistics,Phase field model,Thermodynamic variables (CALPHAD) Mobilities Interfacial energies,Nucleation Models,Diffusion coefficients,多尺度模拟策略,构建“集成计算材料工程”研究
